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Artículo de método

Voxel Printing Anatomy: Diseño y fabricación de modelos de planificación realistas y prequirúrgicos a través de la impresión de mapas de bits

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DOI:

10.3791/63214

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9 de febrero de 2022

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1Inworks Innovation Initiative, University of Colorado-Anschutz, 2Department of Mechanical Engineering, University of Colorado-Boulder

En este artículo

Resumen

Este método demuestra un flujo de trabajo de impresión 3D basado en vóxel, que imprime directamente a partir de imágenes médicas con fidelidad espacial exacta y resolución espacial / de contraste. Esto permite el control preciso y graduado de las distribuciones de materiales a través de materiales morfológicamente complejos y graduados correlacionados con la radiodensidad sin pérdida o alteración de datos.

Resumen

La mayoría de las aplicaciones de la impresión tridimensional (3D) para la planificación prequirúrgica se han limitado a estructuras óseas y descripciones morfológicas simples de órganos complejos debido a las limitaciones fundamentales en precisión, calidad y eficiencia del paradigma de modelado actual. Esto ha ignorado en gran medida el tejido blando crítico para la mayoría de las especialidades quirúrgicas donde el interior de un objeto importa y los límites anatómicos se transicionan gradualmente. Por lo tanto, las necesidades de la industria biomédica para replicar el tejido humano, que muestra múltiples escalas de organización y diferentes distribuciones de materiales, requieren nuevas formas de representación.

Aquí se presenta una técnica novedosa para crear modelos 3D directamente a partir de imágenes médicas, que son superiores en resolución espacial y de contraste a los métodos actuales de modelado 3D y contienen una fidelidad espacial y una diferenciación de tejidos blandos previamente inalcanzables. También se presentan mediciones empíricas de compuestos novedosos fabricados aditivamente que abarcan la gama de rigideces de materiales observadas en tejidos biológicos blandos de resonancia magnética y tomografía computarizada. Estos métodos únicos de diseño e impresión volumétrica permiten un ajuste determinista y continuo de la rigidez y el color del material. Esta capacidad permite una aplicación completamente nueva de la fabricación aditiva a la planificación prequirúrgica: el realismo mecánico. Como complemento natural de los modelos existentes que proporcionan coincidencia de apariencia, estos nuevos modelos también permiten a los profesionales médicos "sentir" las propiedades materiales espacialmente variables de un simulante tisular, una adición crítica a un campo en el que la sensación táctil juega un papel clave.

Introducción

Actualmente, los cirujanos estudian numerosas modalidades discretas de imágenes en 2 dimensiones (2D) que muestran datos distintos para planificar las operaciones en pacientes 3D. Además, ver estos datos en una pantalla 2D no es completamente capaz de comunicar el alcance total de los datos recopilados. A medida que crece el número de modalidades de imágenes, la capacidad de sintetizar más datos de distintas modalidades, que exhiben múltiples escalas de organización, requiere nuevas formas de representación digital y física para condensar y curar la información para una planificación quirúrgica más efectiva y eficiente.

Los modelos impresos en 3D y específicos del paciente han surgido como una nueva herramienta de diagnóstico para la planificación quirúrgica que ha demostrado reducir el tiempo de operación y las complicaciones quirúrgicas1. Sin embargo, el proceso requiere mucho tiempo debido al método estándar de estereolitografía (STL) de impresión 3D, que muestra una pérdida visible de datos y renderiza los objetos impresos como materiales sólidos, homogéneos e isótropos. Como resultado, la impresión 3D para la planificación quirúrgica se ha limitado a estructuras óseas y descripciones morfológicas simples de órganos complejos2. Esta limitación es el resultado de un paradigma de fabricación obsoleto guiado por los productos y necesidades de la revolución industrial, donde los objetos fabricados se describen completamente por sus límites exteriores3. Sin embargo, las necesidades de la industria biomédica para replicar el tejido humano, que muestra múltiples escalas de organización y distribuciones de materiales variables, requieren nuevas formas de representación que representen las variaciones en todo el volumen, que cambian punto por punto.

Para abordar este problema, se desarrolló una técnica de visualización y modelado 3D (Figura 1) y se combinó con un novedoso proceso de fabricación aditiva que permite un mayor control sobre la mezcla y deposición de resinas en resolución ultra alta. Este método, llamado impresión de mapa de bits, replica la anatomía humana mediante la impresión 3D directamente a partir de imágenes médicas a un nivel de fidelidad espacial y resolución espacial / de contraste de la tecnología de imagen avanzada que se acerca a 15 μm. Esto permite el control preciso y graduado requerido para replicar las variaciones en los tejidos blandos morfológicamente complejos sin pérdida o alteración de los datos de las imágenes de origen diagnóstico.

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Protocolo

NOTA: Se utilizó 3D Slicer Medical Image Computing Software4 (consulte la Tabla de materiales) para el trabajo completado en las secciones 1 a 3.

1. Entrada de datos

  1. Abra el software de computación de imágenes médicas, haga clic en el botón Archivo y DICOM en el menú desplegable y espere a que se abra la ventana del navegador DICOM .
    1. En la ventana Navegador DICOM , seleccione Importar. Espere a que aparezca la ventana emergente Importar archivos DICOM desde el directorio .
    2. Navegue hasta la pila de archivos DICOM y haga clic en el botón Importar .
    3. Asegúrese de que la pila seleccionada de archivos DICOM se cargue en el navegador DICOM. Asegúrese de que los datos se hayan rellenado correctamente y coincidan con el estudio deseado en las siguientes categorías: Paciente, Estudio, Serie e Instancia.
      1. Haga clic en la casilla de verificación Avanzadas para activar metadatos adicionales. Seleccione el número de serie deseado y haga clic en el botón Examinar . Asegúrese de que la secuencia deseada no muestre advertencias. Haga clic en la casilla de verificación situada junto al archivo de datos DICOM deseado | Carga.
        NOTA: Seleccione las imágenes de mayor resolución con la adquisición de rebanadas más delgadas, ya que este método es capaz de imprimir a un grosor de corte de 15 μm y 27 μm.
  2. Para la representación por volumen, una vez que la secuencia se carga en el software de computación de imágenes médicas, vaya a Módulos y seleccione Módulo de representación de volumen en el menú desplegable.
    1. En el módulo Representación de volumen , seleccione el nombre de la secuencia en el menú desplegable Volumen para activar la pila de imágenes y traducir los datos en un volumen voxelizado. Asegúrese de que el nombre del módulo activo coincide con la secuencia deseada seleccionada en el paso 1.1.3.1.
    2. Haga clic en el icono Globo ocular junto al menú desplegable Volumen para visualizar el volumen seleccionado en 3D. Asegúrese de que la ventana de visualización 3D esté abierta y que se vea una representación 3D en escala de grises.
    3. A continuación, haga clic en la flecha situada junto a Avanzadas para abrir las Herramientas avanzadas. Seleccione la ficha Propiedad de volumen para abrir un conjunto de controles para modificar el canal de color del modelo de vóxel.
    4. Desplácese hasta el menú Asignación de opacidad escalar. Haga clic con el botón izquierdo en el campo para crear puntos donde los valores de intensidad se definirán por opacidad. Coloque puntos a lo largo de esta escala para visualizar la anatomía de interés.
      NOTA: La ubicación derecha-izquierda del punto se correlaciona con el rango de los valores de intensidad de la imagen, y la ubicación arriba-abajo se refiere a la opacidad.
    5. Desplácese hasta el menú Asignación de color escalar. Haga clic con el botón izquierdo en el campo para crear puntos y especificar colores correlacionados con los valores de intensidad. Haga doble clic en el campo para abrir una ventana Seleccionar color para modificar la información de color.

2. Manipulaciones

NOTA: Se requiere un paso de enmascaramiento si la anatomía es lo suficientemente compleja, hasta el punto en que los tejidos circundantes y los datos extraños están presentes después de las modificaciones en las Propiedades del volumen.

  1. Vaya a Módulos y seleccione el Editor de segmentos en el menú desplegable. Asegúrese de que aparecen las barras de herramientas del Editor de segmentos .
    1. Desplácese hasta el menú desplegable Segmentación y seleccione Crear nueva segmentación como. Escriba un nombre personalizado para la segmentación en la ventana emergente Cambiar nombre de segmentación y haga clic en Aceptar.
    2. Desplácese hasta el menú desplegable Volumen maestro y seleccione el volumen activo, que tendrá el mismo nombre que la Representación de volumen. A continuación, haga clic en el botón Agregar directamente debajo del menú desplegable. Asegúrese de que el contenedor de segmentos se crea en el campo siguiente.
    3. Desplácese hasta el panel de herramientas de efectos a continuación y seleccione la herramienta Tijeras . Navegue hasta el menú Tijeras y seleccione Rellenar dentro, Forma libre e Ilimitado. A continuación, coloque el cursor sobre la ventana 3D, haga clic con el botón derecho y manténgalo presionado mientras dibuja alrededor del área que se va a borrar. Asegúrese de que aparezca una franja de color que muestre lo que se ha cubierto. Repita este proceso hasta que se cubran todas las áreas que se van a eliminar.
      NOTA: Hay extensiones, como Segment Editor Extra Effects, que se pueden descargar en el software de computación de imágenes médicas, que contienen herramientas para crear esta segmentación.
    4. A continuación, seleccione la herramienta Volumen de máscara en el menú Efectos . Marque Seleccionar dentro para eliminar todos los datos de imagen cubiertos por el segmento. A continuación, modifique el valor de relleno para que sea -1000, que es igual a aire, o vacío, en la escala de unidades de Hounsfield. Finalmente, presione aplicar y haga clic en el Globo ocular junto al Volumen de salida para mostrar el nuevo volumen enmascarado.
      1. Vaya a Módulos y seleccione Representación de volumen en el menú desplegable. Haga clic en el globo ocular junto al volumen activo para desactivar la visualización.
      2. A continuación, en el menú desplegable, seleccione el volumen enmascarado recién creado. Haga clic en el globo ocular para activar el volumen.
      3. Finalmente, navegue hasta el menú Entradas y abra el menú desplegable Propiedades . Seleccione la propiedad Volume creada en el paso 1.2.5. Asegúrese de que el volumen de la vista 3D esté enmascarado y codificado en color.

3. Rebanado

Nota : este proceso omite el método de impresión 3D tradicional mediante el envío de los archivos de división directamente a la impresión 3D en lugar de un archivo de malla STL. En los pasos siguientes, se crearán sectores a partir de la representación del volumen. El módulo Generador de mapas de bits es una extensión personalizada. Esto se puede descargar desde Extensions Manager.

  1. Desplácese hasta Módulos, seleccione Slicerfab en el menú desplegable. Asegúrese de que los menús Parámetros de impresión y Parámetros de salida estén presentes.
    1. En el menú desplegable Parámetros de la impresora , asegúrese de que la resolución X esté establecida en 600 PPP y la resolución Y en 300 PPP. Asegúrese de que el espesor de la capa se ajuste a 27 μm.
    2. A continuación, abra el menú Parámetros de salida y modifique la escala del modelo final según sea necesario.
    3. Por último, seleccione una ubicación de archivo para los sectores que se van a guardar y haga clic en Generar.
      NOTA: Este paso puede tardar varios minutos en completarse.

4. Tramado

NOTA: Se utilizó Adobe Photoshop (consulte la Tabla de materiales) para el trabajo completado en la sección 4.

  1. Abra el software de edición de imágenes y haga clic en Archivo y seleccione Abrir en el menú desplegable. Navegue hasta la primera imagen de la pila de archivos PNG creada en el paso anterior y haga clic en el botón Abrir .
  2. Vaya a Ventana y seleccione Acciones en el menú desplegable. En el menú Acciones , haga clic en Nueva acción, escriba un nombre personalizado y seleccione Aceptar. Asegúrese de que la acción se está grabando comprobando que el botón Grabar está activo y en rojo.
    1. Una vez que la imagen se haya cargado, vaya a imagen | Modo | Color indexado. En la ventana Índice , seleccione en el menú desplegable Perceptual local y especifique el número de colores que será 8.
    2. En el menú Forzado , seleccione Personalizado. Haga clic en los dos primeros cuadrados, espere a que aparezca la ventana Color personalizado y seleccione una paleta de colores personalizada. Seleccione 100% Magenta y asegúrese de que C, Y y K estén establecidos en 0.
      1. Repita este proceso y asegúrese de que haya dos cuadrados dedicados al 100% C, Y y K.
    3. En el menú Opciones , en Mate, seleccione Personalizado en el menú desplegable. En Dither, seleccione Difusión y, en Cantidad, seleccione 100%. Por último, haga clic en Aceptar.
    4. Navegue hasta el menú Acción y haga clic en el botón cuadrado para detener la grabación. Cierre la ventana activa y haga clic en No en la ventana emergente Guardar cambios .
  3. Vaya a archivo | Automatice | Lote. En la ventana emergente Lote , vaya al menú desplegable Acción y seleccione la acción creada en el paso anterior. A continuación, en el menú Origen , haga clic en el botón Elegir y navegue hasta la carpeta de imágenes exportadas en el paso 3.1.3. En el menú Destino , haga clic en el botón Elegir , seleccione una ubicación de carpeta de destino para los nuevos archivos y haga clic en Aceptar.

5. Impresión voxel

NOTA: Stratasys GrabCAD5 se utilizó para el trabajo completado en la sección 5.

  1. Abra el software de impresión, haga clic en Aplicaciones e inicie Voxel Print Utility en el menú desplegable.
    1. En el cuadro de texto Prefijo de archivos de división , escriba el prefijo de la pila de archivos PNG. A continuación, haga clic en el botón Seleccionar y navegue hasta la carpeta donde se encuentra la pila de archivos PNG y haga clic en Aceptar.
    2. En Intervalo de sectores, asegúrese de que el primer sector y el número de sectores coincidan con el número de archivos de la carpeta creada.
    3. En Parámetros de segmentación, asegúrese de que el grosor de la división (mm) coincida con la configuración especificada en el paso 3.1.1.1 y que el ancho de la división (píxeles) y la altura de la división (píxeles) coincidan con la anchura y la altura de los archivos PNG.
    4. En Color de fondo, asegúrese de que el fondo coincida con el color de fondo, establecido para no imprimir. Una vez completado, haga clic en el botón Siguiente .
  2. En la página Herramientas , en Asignación de materiales, seleccione el material del menú desplegable que se asignará al color asociado, derivado de los archivos PNG. Repita este proceso para cada color del menú. A continuación, haga clic en Finalizar | Ok en la ventana emergente Info La creación de Gcvf se realizó correctamente.
  3. En el software de impresión del equipo host, haga clic en archivo | Importar archivo desde el menú desplegable. Desplácese hasta el archivo Gcvf y haga clic en Cargar. En la pantalla principal, seleccione Imprimir.

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Resultados

Un resultado positivo, como se muestra en la Figura 2 y la Figura 3, será una traducción directa de la representación del volumen tal como se define en los pasos 1.2.5 o 2.1.1.4. El modelo final debe coincidir visualmente con la representación del volumen en tamaño, forma y color. A lo largo de este proceso, hay numerosos pasos en los que puede ocurrir un error, que afectará a una o más de las propiedades enumeradas anteriormente.

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Discusión

El marco de representación actual que la mayoría, si no todas, las herramientas de modelado digital emplean hoy en día da como resultado el formato de archivo STL8. Sin embargo, la naturaleza específica de este paradigma ha demostrado ser inadecuada cuando se trata de expresar la estructura granular o jerárquica de materiales naturales más complejos. Con la llegada de las recientes técnicas de fabricación aditiva, como la impresión 3D multimaterial, se pueden producir objetos altamente sintonizado...

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Divulgaciones

N.J. es autor de una solicitud de patente presentada por los Regentes de la Universidad de Colorado que describe métodos como los descritos en este trabajo (solicitud no. US16/375.132; publicación no. US20200316868A1; presentado el 04 de abril de 2019; publicado el 08 de octubre de 2020). Todos los demás autores declaran que no tienen intereses contrapuestos.

Agradecimientos

Agradecemos a AB Nexus y al Estado de Colorado por su generoso apoyo a nuestra investigación científica sobre la impresión de vóxeles para la planificación prequirúrgica. Agradecemos a L. Browne, N. Stence y S. Sheridan por proporcionar conjuntos de datos utilizados en este estudio. Este estudio fue financiado por la AB Nexus Grant y la State of Colorado Advanced Industries Grant.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Plataforma de computación de imágenes 3D SlicerSlicer.orgversión 4.10.2 – 4.11.2
GrabCADStratasys1.35
J750 Polyjet Impresora 3DStratasys
PhotoshopAdobe2021

Referencias

  1. Ali, A., et al. Clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: adult cardiac conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 24(2020).
  2. Ballard, D. H., et al. Radiological Society of North America (RSNA) 3D Printing Special Interest Group (SIG) clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: abdominal, hepatobiliary, and gastrointestinal conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 13(2020).
  3. Corney, J. The next and last industrial revolution. Assembly Automation. 25 (4), (2005).
  4. Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
  5. Guide to Voxel Printing. GrabCAD. , Available from: https://help.grabcad.com/article/230-guide-to-voxel-printing?locale=en (2021).
  6. Bader, C., et al. Making data matter: Voxel printing for the digital fabrication of data across scales and domains. Science Advances. 4 (5), (2018).
  7. Zhang, F., Li, C., Wang, Z., Zhang, J., Wang, Y. Multimaterial 3D printing for arbitrary distribution with nanoscale resolution. Nanomaterials. 9 (8), 1108(2019).
  8. Robson, R. The STL Algorithms. Using the STL. , Springer. New York, NY. 47-54 (1998).
  9. Waran, V., Narayanan, V., Karuppiah, R., Owen, S. L. F., Aziz, T. Utility of multimaterial 3D printers in creating models with pathological entities to enhance the training experience of neurosurgeons. Journal of Neurosurgery. 120 (2), 489-492 (2014).
  10. Cumbler, E., et al. Contingency planning for healthcare worker masks in case of medical supply chain failure: Lessons learned in novel mask manufacturing from COVID-19 pandemic. American Journal of Infection Control. 49 (10), 1215-1220 (2021).

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